25
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
PHÂN TÍCH SÓNG HÀI LAN TRUYỀN QUA MÁY BIẾN ÁP PHÂN PHỐI
ANALYSIS ON HARMONIC PROPAGATION THROUGH DISTRIBUTION \TRANSFORMERS
NguyễnPhúcHuy,ĐặngViệtHùng
TrườngĐạihọcĐiệnlực
Ngày nhận bài: 13/05/2024, Ngày chấp nhận đăng: 27/06/2024, Phản biện: TS. Trần Quang KhánhTóm tắt:Sóng hài là một trong các vấn đề về chất lượng điện năng trên lưới điện phân phối cần được quan tâm khi nguồn điện mặt trời (PV) được kết nối với lưới điện ngày càng tăng. Bài báo đã phân tích các trường hợp sóng hài được sinh ra từ PV lan truyền giữa lưới phân phối trung và hạ áp qua máy biến áp phân phối (MBA). Sóng hài từ PV phía lưới điện hạ áp lan truyền sang phía trung áp của MBA với mức độ ảnh hưởng nhỏ và tỉ lệ nghịch với công suất ngắn mạch của hệ thống. Trong khi đó sóng hài từ phía trung áp sẽ ảnh hưởng nhiều hơn tới lưới điện phía hạ áp đặc biệt là khi phía hạ áp có tụ bù và công suất phụ tải nhỏ. Giải pháp bù ứng động theo phụ tải phía hạ áp có thể làm giảm mức độ ảnh hưởng của sự lan truyền sóng hài từ phía cao áp, cải thiện chất lượng điện năng của mạng điện.Từ khóa: Điện mặt trời, Lan truyền sóng hài, Máy biến áp phân phối, Bù công suất phản kháng. Abstract:Harmonics are one of the power quality issues on distribution networks that need to be concerned when the connected solar photovoltaic (PV) sources are increasingly. The paper analyzed cases of harmonics generated from PV propagating between medium and low-voltage distribution grids through distribution transformers. Harmonics from the PV on the low-voltage side propagate to the medium-voltage side of the transformer with a low degree of inuence and inversely proportional to the short-circuit power of the system. Meanwhile, harmonics from the medium voltage side will eect the low-voltage grid, especially when the low-voltage side has compensating capacitors and low load capacity. The solution of using dynamic reactive power compensation on low-voltage side can reduce the impact of harmonic propagation from the high-voltage side which improves power quality.Keywords: Solar Photovoltaics, Harmonic Propagation, Distribution transformer, Reactive power compensation.1. MỞ ĐẦU
Hiện nay, việc xây dựng hệ thống điện không
carbon với tỉ trọng cao các nguồn phát điện từ
nănglượngtáitạođanglàxuhướngchủđạotrên
thếgiới.ỞViệtNamtheoQuyhoạchđiệnVIII,tỉ
trọngnguồnnănglượngtáitạo(gió,mặttrời,sinh
khối) tăng 30,9 - 39,2% vàonăm 2030 [1].Các
nguồnđiệncóquymôcôngsuấtlớnkếtnốilên
lướiđiệntruyềntải,trongkhicácnguồnđiệnvừa
vànhỏkếtnốivàokhuvựclướiđiệnphânphối
26
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
trungápvàhạáp,gọichunglànguồnphátđiện
phântán(DG)[2].Mứcđộthâmnhậpngàycàng
tăngcủacácnguồnnàytronglướiđiệnphânphối
ảnhhưởngtớitổnthấtcôngsuất,khảnăngtảicủa
lướiđiệnvàcácvấnđềvềchấtlượngđiệnnăng
[2-4].ĐốivớicácDGkếtnốiquacácbộbiếnđổi
điệntửcôngsuấtnhưđiệngió,điệnmặttrờisẽ
bơmsónghàidòngđiệnvàotronglướiđiện[5].
Giới hạn về mức phát sinh sóng hài và mức độ
nhiễu sóng hài thường được quy định trong các
tiêuchuẩnvàquyđịnhcụthể[6,7].Sónghàilan
truyềncóthểtăngcaoởnhiềuvịtrí,đặcbiệtkhi
lướiđiệncókếtnốicácbộtụbùcôngsuấtphản
kháng[8],vàcóxuhướngảnhhưởngnhiềuhơn
vềphíaphụtảivớimứcđộphụthuộcvàomôhình
phụtảiđượcsửdụng[9].Nghiêncứulantruyền
sónghàicóthểđượcthựchiệnbằngkỹthuậtquét
tần,tínhtoántổngtrởcácnúttrênmiềntầnsốđể
tìmracácđiểmcộnghưởng[10].
Bài báo sẽ trình bày phương pháp mô hình hóa
lưới điện trong nghiên cứu sóng hài, tiến hành
nghiêncứuphươngthứclantruyềncủasónghài
sinhratừcácnguồnđiệnmặttrờiphântán(PV)từ
haiphíacủamáybiếnápphânphối.Phântíchcác
yếutốảnhhưởngtớimứcđộlantruyềnvàđềxuất
giảipháphạnchế.
2. PHÂN TÍCH LAN TRUYỀN SÓNG HÀI QUA MÁY BIẾN ÁP PHÂN PHỐI2.1. Mô hình phân tích và hệ số lan truyền sóng hài
XétmộtlướiđiệnphânphốinhưHình1,nguồn
điệnmặttrờiphântán(PV)đượckếtnốivàokhu
vựclướiđiệntrungápvàhạáp.
Khixétảnhhưởngriêngcủamộtnguồnsónghài
tớilướiđiện,taxâydựngmôhìnhnhưtronghình
2,I
h
vàZ
0h
làdòngđiệnhàibậchđượcsinhravà
tổngtrởhàitươngđươngcủacácphầntửkhác,U
h
làđiệnáphàibậchtạiđiểmkếtnốicủanguồnhài
vớilướiđiện.Phầnlướiđiệnđượcxétảnhhưởng
cóU’
h
làđiệnáphàibậchđượcsinhra,Z
Lh
làtổng
trởhàitươngđươngcủalướiđiệnđượcxétvàZ
Th
làtổngtrởhàigiữađiểmkếtnốinguồnhàivớilưới
điệnđó.
Hình 1. Sơ đồ mô tả lưới điện phân phối có kết nối PVHình 2. Mô hình phân tích lan truyền sóng hài
Hình3cóthểápdụngchotrườnghợplướiđiệncó
nhiềunhánhkếtnối.
Hình 3. Mô hình phân tích lan truyền sóng hài khi có nhiều nhánh liên kết
GiảthiếtmôhìnhnhưtrongHình2,sónghàiđiện
ápởhaiphíamáy biến áp đượctínhtoánvàso
sánhmứcđộlantruyền.Đểthuậnlợi,taxâydựng
hệsốlantruyềncácthànhphầnsónghàiđiệnáp
nhưsau:
'
Lh
Th Lh
h
Uh
h
Z
U
TU Z Z
= = +
(1)
27
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
Cácđạilượngtrong(1)đềulàcáchàmcủabậc
sónghàih,trongđótổngtrởthaythếcủamáybiến
ápphụthuộcbậcsónghàixácđịnhtheo(2).
. . .
Th T T
Z R h j h X= +
(2)
với
T
R
và
T
X
làđiệntrởvàđiệnkhángđượcxác
địnhtừcácthôngsốđịnhmứccủamáybiếnáp;h
làbậcsónghài.
Trong khi đó, tổng trở phần lưới điện sóng hài
lantruyềntới
Lh
Z
tùythuộcvàotừngtrườnghợp
màcócácthànhphầnthamgiakhácnhaunhưhệ
thốngnguồn,thiếtbịbù,phụtải.Tổngtrởmôhình
hóacủacácphầntửđượcxâydựngnhưsau:
+Hệthốngnguồn:
2
2
. .
1, 05.
. ;
1
sh s s
n
s
k
s
s
Z R j h X
Ua
XSa
X
R
a
= +
=
+
=
(3)
với:
n
U
(kV)làđiệnápdanhđịnhcủahệthống;
k
S
(MVA)làcôngsuấtngắnmạch;
a
làtỉsốX/R
củahệthống;
1s
và
1s
X
(Ω)làđiệntrởvàđiện
khánghệthốngởtầnsốcơbản.
+Thiếtbịtụbùcôngsuấtphảnkháng:
1
. . .
Ch
Zj h C
ω
=
(4)
với:C(Farad)làđiệndungcủabộtụ;ω=2πf,tần
sốcơbảnf=50Hz.
+Phụtảituyếntínhđượcmôhìnhhóagồmđiện
trởvàđiệnkhángsongsong,tổngtrởtươngđương
đượcxácđịnh[9,10]:
. .
ldh
j R X
ZR jX
=+
(5)
với:
2
;
.
n
U
Rk P
=
2
;
.
n
U
Xk Q
=
0,1. 0,9
k h
= +
;
P(MW)vàQ(MVAr)làcôngsuấtcủaphụtải;
2.2. Xây dựng đặc tính lan truyền và các yếu tố ảnh hưởng
Đểxâydựngđườngđặctínhhệsốlantruyền,các
thôngsốđược tínhtoántheo(2)tới(5)kếthợp
biếnđổisơđồtheoHình1đểxácđịnhđược
Lh
Z
,
Th
Z
vàthayvào(1),tínhtoángiátrị
Uh
T
theotừng
bậcsónghài.
Trườnghợpkhixétlantruyềnsónghàitừphíahạ
ápsangcaoápcủaMBAthì
Lh sh
Z Z
=
,hệsốlan
truyềnlà:
sh
Th sh
HC
Uh
Z
TZ Z
=+
(6)
trongkhilantruyềntừphíacaoápsanghạápthì
/ /
Lh Ch ldh
Z Z Z
=
,hệsốlantruyềnlà:
( )
Th
.
.
Ch ldh
CH
Uh
Ch ldh Ch ldh
Z Z
TZ Z Z Z Z
=+ +
(7)
VớitrườnghợpnguồnhệthốngS
k
=50MVA;MBA
phânphốiS
đmT
=400kVA,22/0,4kV,U
k
%=4,5%,
ΔP
k
=2,5kW,mangtải80%,coφ=0,85;Q
bù
=30%
SđmT,hệsốlantruyềntừ(6)và(7)đượcxâydựng
nhưHình4avà4b.
Cóthểthấyrằngđiệnáphàitừhạápsangcaoáp
củaMBAsẽcógiátrịrấtnhỏ(tiêubiến)(Hình4a),
vàkhihệthốngnguồncànglớn,tứcZ
sh
càngnhỏ
thì
HC
Uh
T
càngnhỏ.Trongkhiđó,Hình4bchothấy
điệnáphàilantruyềntừphíacaoápsanghạápcủa
MBAcóthểbịkhuếchđạiởtầnsốcộnghưởng,
phụthuộcvàomứctảivàbù.
Đểphântíchcụthểhơn,tađiềuchỉnhmứcbùvà
giữnguyênmứctải80%S
đmT
.Xâydựnglạiđường
đặctínhtheo(7)vớitừngbậchàivàmứcbùQ
bù
.
28
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
KếtquảtrongHình5chothấykhithayđổimứcbù
Q
bù
từ5%tới50%S
đmT
(11mức),cácđiểmcộng
hưởngdịchchuyểndầnvềphíatầnsốthấp.
0 5 10 15 20 25 30
Bậcsónghài
0.1555
0.156
0.1565
0.157
0.1575
HệsốTu
(a)Đặctínhlantruyềntừphíahạsangphíacao
0 5 10 15 20 25 30
Bậcsónghài
0
2
4
6
HệsốTu
(b)Đặctínhlantruyềntừphíacaosangphíahạ
Hình 4. Đường đặc tính lan truyền sóng hài từ hai phía của 1 MBA phân phốiHình 5. Ảnh hưởng của mức bù Q khi phụ tải không đổi tới hệ số lan truyền
Trườnghợpápdụnggiảiphápbùứngđộng,mức
bùQ
bù
thayđổitheomứctải(Hình6với14mức
tải)thìđiểmcộnghưởngdịchvềphíatầnsốcao.
3. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH LAN TRUYỀN SÓNG HÀI TỪ PV3.1. Sóng hài đặc tính từ PV
SónghàidoPVsinhraphụthuộcnhiềuvàocông
nghệ và phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu
(inverter),mứcđộảnhhưởngtớilướiđiệncònphụ
thuộcvàobảnthânlướiđiện,sónghàinền,vàmức
độmangtảicủainverter[12].CácPVthườngsử
dụnginverter2mứcđiệnápvà3mứcđiệnápđiều
khiểnbằngphươngphápđiềuchếđộrộngxung
(PWM–PulseWidthModulation).Bêncạnhcác
sónghàibậcthấp5,7,…thìsónghàiđặctínhkhác
củainvertergồmcácthànhphầnbậccaođượcxác
địnhphụthuộcvàohệsốđiềuchếtầnsố
f
m
của
sóngmang[5,13,14]:
.
f
h j m k
= ±
(8)
trongđó:j,klàcácốnguyên(nếujlàlẻthìkchẵn,
vànếujchẵnthìklẻ).
Hình 6. Ảnh hưởng của mức bù Q ứng động theo phụ tải tới hệ số lan truyền
CácinverterPVcótầnsốđóngcắtlớnlêntớihàng
chục kHz (mf lớn), do đó các sóng hài bậc cao
như(8)sẽkhôngđượcxéttớitrongcáckhảoxét
ởphầnnàydonhữngảnhhưởnglànhỏnhưtrong
phântíchtrongmục2.2.
3.2. Mô phỏng và đánh giá lan truyền qua MBA phân phối
Hình7thểhiệnsơđồthaythếtínhtoánsónghài
cholướiđiệntrongHình1(bỏquadâydẫnkếtnối
giữacácphầntử):nguồnlướiđiệnphânphối35
kVlànguồn3phađốixứng(khôngcónhiễusóng
hài)cócôngsuấtngắnmạchS
k
=250MVA;PV
cácphíacómứcphátsónghài<5%,phổhàicủa
inverter6xung;MBA400kVA,22/0,4kVcóU
k
%
=4,5%,ΔP
k
=2,5kW;phíahạápbùcôngsuấtphản
khánglớnnhấtlà120kVAr;phụtảicóS
max
=320
kVAvàcosφ=0,85.
29
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
Hình 7. Sơ đồ thay thế tính toán sóng hài
Trongsơđồtrên,cácđạilượngđượcmôtảtrong
miềnsónghài,trongđócácPVđượcmôtảnhư
những nguồn dòngbơm sónghài vào lưới điện.
Phươngtrìnhmôtảquanhệcácđạilượngđược
thànhlậpnhưsau:
h h h
I = Y .U
(9)
trongđó
h
Y
,
h
I
,
h
U
làcácmatrậncácđạilượng
vectơphứctổngdẫn,dòngđiệnvàđiệnápcácnút
ởtừngbậchàih.
Quá trình tính toán được thực hiện theo lưu đồ
nhưtrongHình8trênmiềnsónghài[10]chotừng
trườnghợpmôphỏng.
Vớiphântíchđãđượcchỉratrongphầntrướcta
tiếnhànhkhảosátvới8mứctải(10%-80%S
đmT
)
trongcáctrườnghợpsau:TH1-bùcốđịnh30%;
vàTH2-bùứngđộngtheophụtải.Kếtquảthể
hiện dạng sóngvà phổ hài điện áp hai phía của
máybiếnápnhưHình9và10.
Có thể thấy,khi điện áp tạiđầu vào sơ cấp của
máybiếnápcótổngđộméonhỏ(<5%)thìđiện
ápphíasơcấpbịméodạngnhiều.Tuycácthành
phầnsónghàiriênglẻbậcthấp5,7,11,13bịtăng
caokhôngvượtquágiớihạn(<3%)nhưngtổngđộ
méodạngvẫncónguycơvượtquágiớihạn6,5%
[8]trongtrườnghợpTH1.
Rõràngmứcđộgiatăngđộméodạngkhiápdụng
bùứngđộngtheotải(trườnghợpTH2)khôngquá
lớnvàvẫnnằmtronggiớihạnchophép(Hình11).
N
h
ậ
p
s
ố
l
i
ệ
u
:
h
ệ
t
h
ố
n
g
n
g
u
ồ
n
,
M
B
A
,
phụ tải, bù
T
í
n
h
m
a
tr
ậ
n
t
ổ
ng
dẫn
Gá
n
U
0
=
[
U
s
,
U
s
]
T
í
n
h
U
=
[
U
1
;
U
2
]
t
ừ
(
9
)
saiso = |U-U0|
s
ais
o
<
1
0
-
4
C
ậ
p
n
h
ậ
t
Y
h
;
Gán
U
0=
U
K
ế
t t
h
ú
c
T
í
n
h
t
o
á
n
h
ệ
s
ố
l
a
n
t
r
u
y
ề
n
,
trích xuất dữ liệu, hình vẽ
đún
g
s
a
i
KhởitạođiệnáphệthốngU
s
,
dòngđiệnnguồnPV
Hình 8. Sơ đồ khối mô phỏng
0 0.01 0.0 2 0.03 0.04
Thờigian(s)
-20
-10
0
10
20
Điệnáp(kV)
(a)SóngU 1(t)
0 0.01 0.02 0.03 0.04
Thờigian(s)
-20
-10
0
10
20
Dienap(kV)
(b)SóngU 2(t)
(c)PhổhàiU 1
0 20 40
Bậchài
0
0.2
0.4
0.6
Điệnáp(%)
(d)PhổhàiU 2
0 20 40
Bậchài
0
0.5
1
Dienap(%)
THD=4.287% THD=7.318%
Hình 9. Đặc tính điện áp pha phía sơ cấp và thứ cấp TH1 (khi bù 30% và tải 80%)
Hình12chothấyrõhơnhệsốlantruyềncủatừng
hànhphầnsónghàiriênglẻứngvớitừngtrường
hợpmôphỏng.Vớimứcbùlớnvàkhôngđổi,các
sónghàibậcthấpsẽcóhệsốlantruyềnlớn(Hình
12a).Trongkhiđó,mứctảithấpsẽchịuảnhhưởng
nhiềuhơnvớihệsốlantruyềnlớncủacácsónghài
bậccao,tuycóbiênđộhàinhỏnhữngcũngảnh
hưởnglàmtăngtổngđộméodạng.